Forskere finner dramatiske forskjeller mellom gamle tarmmikrobiomer og moderne mikrober

Forskere samler raskt bevis på at varianter av tarmmikrobiomer, samlingene av bakterier og andre mikrober i fordøyelsessystemene våre, kan spille skadelige roller ved diabetes og andre sykdommer. Nå har forskere på Joslin Diabetes Center funnet dramatiske forskjeller mellom tarmmikrobiomer fra gamle nordamerikanske folk og moderne mikrobiomer, tilby nytt bevis på hvordan disse mikrober kan utvikle seg med forskjellige dietter.

Forskerne analyserte mikrobielt DNA funnet i urfolks humane paleofeces (uttørret ekskrementer) fra uvanlig tørre grotter i Utah og Nord -Mexico med ekstremt høye nivåer av genomisk sekvensering, sier Joslin assisterende etterforsker Aleksandar Kostic, PhD, seniorforfatter av a Natur papir som presenterer arbeidet.

Utfører genomisk analyse bredere og dypere enn tidligere studier på gamle tarmmikrobiomer fra mennesker, studien var den første som avslørte nye mikroberarter i prøvene, sier Kostic, som også er assisterende professor i mikrobiologi ved Harvard Medical School.

I tidligere studier av barn i Finland og Russland, Kostic og hans kolleger viste at barn i industrialiserte regioner, som var mye mer sannsynlig å utvikle type 1 diabetes enn i ikke-industrialiserte områder, hadde også veldig forskjellige tarmmikrobiomer.

Vi var i stand til å identifisere spesifikke mikrober og mikrobielle produkter som vi tror hindret riktig immunopplæring tidlig i livet, Og dette fører senere til høyere hendelser av ikke bare type 1 diabetes, men andre autoimmune og allergiske sykdommer. "

Aleksandar Kostic, PhD, Seniorforfatter

Så hvordan ville et sunt menneskelig mikrobiom se ut før effektene av industrialisering? "Jeg er overbevist om at du ikke kan svare på det spørsmålet med noen moderne levende mennesker, "sier Kostic, som påpeker at selv stammer i ekstremt fjerntliggende områder av Amazonas er påført Covid-19.

Steven LeBlanc, en arkeolog tidligere ved Harvards Peabody Museum of Archaeology and Ethnology, kom til Kostic med en dramatisk alternativ kilde:mikrobielt DNA funnet i menneskelige paleofeces -prøver som museer har samlet fra tørre miljøer i det nordamerikanske sørvest.

Kostic og doktorgradsstudent Marsha Wibowo tok utfordringen, til slutt sammenlignet DNA fra åtte eksepsjonelt godt bevarte gamle tarmprøver fra tørre grotter (noen datert så tidlig som det første århundre av den nåværende æra) med DNA i 789 moderne prøver. Litt mer enn halvparten av de moderne prøvene var fra mennesker på industrialiserte "vestlige" dietter og resten fra mennesker som spiste ikke-industrialisert mat (hovedsakelig dyrket i sitt eget samfunn).

Forskjellene mellom mikrobiompopulasjoner var slående. For eksempel, en bakterie kjent som Treponema succinifaciens "er ikke i et enkelt vestlig mikrobiom som vi analyserte, men det er i hver eneste av de åtte gamle mikrobiomene, "Sier Kostic. De gamle mikrobiomene samsvarte tettere med moderne ikke-industrielle mikrobiomer.

Slående, Wibowo fant ut at nesten 40% av de gamle mikrobielle artene aldri hadde blitt sett før. Hva kan forklare denne høye genetiske variasjonen?

"I gamle kulturer, maten du spiser er veldig variert og kan støtte en mer eklektisk samling av mikrober, "Kostic spekulerer." Men når du går mot industrialisering og mer av en matbutikk, du mister mange næringsstoffer som bidrar til å støtte et mer mangfoldig mikrobiom. "

De gamle mikrobiomene hadde også relativt høyere tall enn de moderne industrielle mikrobiomene av transposaser (transponerbare elementer av DNA -sekvenser som kan endre plassering i genomet).

"Vi tror dette kan være en strategi for mikrober å tilpasse seg i et miljø som skifter mye mer enn det moderne industrialiserte mikrobiomet, hvor vi spiser de samme tingene og lever det samme livet mer eller mindre året rundt, "Sier Kostic." Mens i et mer tradisjonelt miljø, ting endrer seg og mikrober må tilpasse seg. De kan bruke denne mye større samlingen av transposaser for å ta tak i og samle gener som vil hjelpe dem med å tilpasse seg de forskjellige miljøene. "

Videre, de gamle mikrobielle populasjonene innlemmet færre gener relatert til antibiotikaresistens. De gamle prøvene inneholdt også et lavere antall gener som produserer proteiner som nedbryter tarmslimlaget, som da kan produsere betennelse som er knyttet til forskjellige sykdommer.

I tillegg arbeidet kan kaste lys over en vitenskapelig kontrovers om hvorvidt populasjoner av tarmmikrober overføres vertikalt fra generasjon til generasjon mennesker, eller utvikle seg hovedsakelig fra omgivelsene.

Ser man på slekten til de vanlige bakteriene Methanobrevibacter smithii i de gamle prøvene, de fant at utviklingen var i samsvar med en felles stamfar som er datert til omtrent da mennesker først vandret over Beringstredet til Nord -Amerika. "Disse mikrober, akkurat som våre egne genomer, har reist med oss, "Sier Kostic.

Forskningsprosjektet begynte med behovet for å identifisere uforurensede humane paleofeces -prøver som ble bevart i uvanlig god stand. "Da vi rekonstruerte disse genomene, vi prøvde å være veldig konservative, "Sier Wibowo.

I tillegg til karbon-14-dating, forskerne brukte diettanalyser og andre metoder for å validere at de utvalgte prøvene faktisk var menneskelige og ikke var forurenset av jord eller av andre dyr som hunder, hun sier. Etterforskerne bekreftet også at de utvalgte prøvene viste forfallsmønstrene som alt DNA er kjent for å vise over tid.

Teamet utførte langt dypere sekvensering av DNA enn det som ble oppnådd i tidligere forsøk, minst 100 millioner leser, med 400 millioner avlesninger av DNA for ett eksemplar.

En samarbeidspartner, antropolog Meradeth Snow, PhD, ved University of Montana i Missoula, ledet et initiativ for å få perspektiver på arbeidet fra indianers urfolk i sørvestregionen. "Vi anerkjenner og setter pris på de personene hvis genetikk og mikrober ble analysert for denne forskningen, så vel som dagens individer med tilhørende genetisk eller kulturell arv, "understreker studien.

Forskerne planlegger å utvide studiene til mange andre gamle mikrobiomprøver, tar sikte på å oppdage nye mikrobielle arter og prøver å forutsi deres metabolske funksjoner. Kostic er fascinert av muligheten for å gjenopplive disse gamle mikrober i laboratoriet, ved å sette inn gamle genomer i de nærmeste levende bakteriearter. "Hvis vi kan dyrke dem i laboratoriet, vi kan forstå fysiologien til disse mikrober mye, mye bedre, " han sier.

LeBlanc hjalp Joslin -etterforskerne med å samle samarbeidspartnere, til slutt rekruttert fra et titalls institusjoner. Blant viktige bidrag, Montanas Dr. Snow ledet utvinning og forberedelse av det gamle DNA, og Harvards Christina Warinner, PhD, tilbød sin ekspertise om det gamle menneskelige mikrobiomet. "Det har vært fantastisk å lære av alle disse strålende samarbeidspartnerne, "Wibowo sier." Det krever virkelig en landsby. "

• Rapporterer etiketter på kommersielle kefirprodukter mikrobielle nivåer riktig?
• Studie:Bakteriekolonisering av spedbarns tarm forekommer ikke før fødselen